摘 要

热电器件是一种能够实现热能和电能互相转换的装置。电子设备内的热电材料不仅可以利用温差发电，也可以通电实现制冷效果。随着微电子技术的发展以及便携式设备的普及，小型、高效、寿命长的热电器件愈发受到研究人员的关注。

本文主要介绍了p型Bi_0.5Sb_1.5Te₃-环氧树脂复合厚膜的制备、测试和分析技术。首先采用了简单高效的涂刷法得到一系列Bi_0.5Sb_1.5Te₃-环氧树脂复合厚膜，然后将其放置在不同热处理温度下固化10小时，得到成型的复合厚膜，然后表征其物相组成、表面和断面形貌以及测量电输运性能，探索最佳的热处理温度。最后，热电器件通入电流后，测量温差并评价其制冷性能。

XRD和SEM的分析结果表明，热处理温度在473K-623K范围内，复合厚膜均为单相Bi_0.5Sb_1.5Te₃，随着热处理温度升高，复合厚膜断面和表面的致密度均增加，并在623K时致密度达到最大。

热电性能测试结果表明，所制备的复合厚膜具有p型半导体传导特性，随着热处理温度增加，厚膜的载流子迁移率、电导率和功率因子均增加，在热处理时间10小时条件下，复合厚膜的最佳热处理温度为623K，在300K时最大功率因子达到0.47mW·K^-2·m^-1。

制冷性能测试结果表明，在通入电流为0.08A时可达到最大的实际温差38.9K。

关键词：厚膜器件；p型Bi_0.5Sb_1.5Te₃；涂刷法；电性能；制冷性能

Abstract

The thermoelectric device is a functional equipment that realizes the exchange between thermal energy and electrical energy. Thermoelectric material in the electronic equipment not only can charge the device, but also remove the heat. With the development of microelectronic technology and the popularization of portable devices, researchers have paid more attention to the miniature, efficient and long life thermoelectric device.

This article mainly talks about the fabrication, testing and analysis of p-type Bi_0.5Sb_1.5Te₃ -Epoxy Resin composite thick films. A simple and effective brush-printing technique has been used to prepare a series of composite thick films, and these films are cured at different annealing temperature for 10 hours. After that, investigating the composition , microstructure and electrical properties of these thick films and figuring out the best annealing temperature. Finally, evaluating the cooling performance of thermoelectric device by measuring the temperature difference produce under applied currents.

The results of XRD and SEM patterns show that all the composite thick films annealed at different temperatures are single-phase Bi_0.5Sb_1.5Te₃. Moreover, the densifications of surface morphology and cross-sectional morphology are promoted with increasing the annealing temperature and the highest density appeared at 623K.

The results of thermoelectric property indicate that the composite thick films possess the p-type conduction behavior, and the carrier mobility, electrical conductivity and power factor increased with increasing annealing temperature. The maximum power factor of p-type Bi_0.5Sb_1.5Te₃ -Epoxy Resin composite thick films is 0.47mW·K^-2·m^-1 near the room temperature when annealed at 623K for 10h.

The results of the cooling performance show that, the maximal temperature difference reached 38.9K when 0.08A current applied

Keywords: Thick film device; p-type Bi_0.5Sb_1.5Te₃; brush printing; electrical property; cooling performance

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 热电效应及其原理 1

1.2.1 Seebeck效应 2

1.2.2 Peltier效应 3

1.2.3 Thomson效应 3

1.2.4 热电效应之间的关系 4

1.3 热电材料的电热输运性能 4

1.3.1 电导率 6

1.3.2 Seebeck系数 6

1.3.3 热导率 7

1.4 Bi₂Te₃基热电材料的研究现状 7

1.5 本论文的研究目的与主要研究内容 8

第2章 实验方法 10

2.1 p型Bi_0.5Sb_1.5Te₃-环氧树脂复合厚膜制备 10

2.1.1 p型Bi_0.5Sb_1.5Te₃-环氧树脂复合浆料配制 10

2.1.2 涂刷法成型 11

2.1.3热处理固化成膜 12

2.2 材料表征 13

2.2.1 材料显微结构的表征 13

2.2.2 材料电输运性能的表征 13

2.3 真空蒸发镀膜 14

2.4 总结 16

第3章 热处理温度对p型Bi_0.5Sb_1.5Te₃-环氧树脂复合厚膜显微结构和热电性能的影响 17

3.1制备工艺 17

3.2 物相组成 17

3.3 显微结构 18

3.4 电输运性能 20

3.5 总结 23

第4章 厚膜器件制冷性能的测试与评价 24

4.1 引言 24

4.2 热电制冷器件工作原理 24

4.3 器件制冷量的理论计算 25

4.3.1 器件工作时的热效应 25

4.3.2 器件制冷量的计算 26

4.4 厚膜器件制冷量测试 27

4.4.1 测试平台的搭建 27

4.4.2 厚膜器件制冷量测试 29

4.5 总结 30

第5章 结论 31

参考文献 32

致 谢 34

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

近年来，智能穿戴电子设备得到了广泛关注和飞速发展，常见的穿戴式电子设备包括运动手环、智能手表等^[1]。穿戴式电子设备目前主要采用重量轻、能量大、可充放电的锂离子电池供电。然而，锂离子电池随意扔弃后对环境造成的严重污染以及并不完善的后期回收工艺给环境的可持续发展带来了严重的影响^[2]。而且微小型的锂电池电量并不能满足持久供电的需求，为了延长供电时间，除了改进锂电池技术，探索一种新型高效的微型发电设备成为至关重要的问题^[3]。

热电器件是热能与电能相互转换的装置，可以收集人体热能发电，理论上可为穿戴式电子设备提供永久电源。相较于主流的锂电池，而且热电器件具有体积小、控温精确、响应速度快、使用寿命长、工作安静、不产生任何气态或液态环境污染物、对人体安全等优点^[4,5]。在实际器件的应用中，热电发电器件完全可以满足一些小功率设备的供电需求^[6]。在LED灯调温系统^[7]以及芯片制冷装置^[8]等方面已经得到广泛的应用。可以看出，适应21世纪绿色环保主题的热电材料及其器件非常具有前景。